三角型塔架结构在导标工程中的应用

2018-05-02秦艳丹

机电信息 2018年12期

秦艳丹

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海200120）

0 引言

导标是引导船舶通过狭窄水道，避开危险区域或进入港口船闸时的一种视觉航标，是港口航道导助航工程的主要建筑物之一。多由前后两组或三组立标组成，一般前低后高，它们连线的延长线表示着航道的轴线。

随着国民经济和对外贸易的高速增长，中国海上运输得到了持续快速发展。随着船舶的大型化，航道不断拓宽和延伸，导标结构也日益大型化，这些发展变化对导标的结构设计带来了新的挑战。本文结合连云港导标实例，选择合适的结构形式，并对其结构进行分析，提供合理的计算方法。

1 导标的构造及结构选型

1.1 导标的构造

导标由上部标牌、支撑标牌的主体结构和基础三部分组成。上部标牌形状通常有方形、菱形、矩形、三角形、圆形、梯形等。标牌是白天的助航标志，尺寸越大，在沿导标轴线观察时，越具有明显的形状特征，可观察的距离也就越远。标牌多由有间隙的板条或镂空的牌面构成。

1.2 导标的主体结构

常见的导标结构有混凝土结构、钢桁架结构及钢塔筒结构，钢桁架结构又可分为钢管桁架和角钢桁架[1]。三种形式优缺点如下：

（1）混凝土结构导标：优点是结构外封闭，有利于导标的检修和维护，结构形式应用成熟，抗腐蚀能力强。缺点是受设标地区视界内的背景情况所限，为突出导标作用，外形多为混凝土烟囱，不美观。

（2）钢结构桁架导标：优点是空间桁架结构，钢管和角钢可现场进行焊接，施工方便，结构形式与电力行业的变电塔类似，应用广泛，技术较成熟，造价便宜。缺点是开敞结构，检修和后期维护不方便，维修工人操作存在安全隐患，设备存在被盗风险。图1所示为建设完成的钢结构桁架导标。

（3）钢结构塔筒导标：优点是结构外封闭，检修和维护方便，结构形式类似于风电行业风机塔筒结构，技术较成熟，外形美观，可工厂化生产，现场拼装，施工质量能得到有效保障。缺点是受风荷载影响比钢桁架大，塔身易受变形控制，对场地要求高，造价介于混凝土与钢结构桁架之间。

图1 钢结构桁架导标

2 钢桁架导标实例

连云港布置三座导标，其中前中标间距2060m，中后标间距610m。桩身高度分别约为40m、48m、54m。本文以已经施工完成的40m钢结构三角型塔架导标为例，进行荷载计算和内力分析。

项目所在地为A类地貌，三角型塔架塔高40m，在高程40m、31m处设置两个内平台用来放置设备。在导标的顶部布置一块标牌，尺寸为6m×8m。标牌中心处预留直径1m的孔用来安装LED灯器。三管塔底部边长4m，顶部边长1.5m。

2.1 结构分析

三角型塔架在风荷载、地震的作用下，产生塔架变形与塔柱内力。该塔架材料为Q345钢管及槽钢，共有6段。采用SAP2000建立结构有限元模型，所有节点均考虑为铰接点。利用SAP2000软件进行风荷载和雪荷载的施加时，可采取两种加载方式：（1）将荷载等效成均布荷载或者集中荷载施加到节点上；（2）在模型上建立虚面，将荷载作用在虚面上。本塔架采用方式（1）来进行计算。图2、图3所示为导标示意图及计算模型，表1为塔架主体部分材料参数表。

图2 三角型塔架示意图

图3 导标塔架计算模型

表1 材料参数

2.2 荷载工况

（1）恒载：三角型塔架恒载为自重。本塔架重约18.8t。

（2）活载：结构的活载包括风荷载与雪荷载。风荷载主要考虑三种风向，经计算当风荷载以c风向作用在三角型塔架上时，塔架位移、塔柱内力以及支座反力最大，选取最不利情况即风向0°来进行计算。图4所示为风荷载作用下的三种风向。

图4 风荷载作用下的三种风向

根据GB50135—2006《高耸结构设计规范》[2]，风压计算公式为：

式中，ω0为基本风压，根据项目地资料取0.45kN/m2；μz为风压高度变化系数，根据规范按高度变化差值选取，依据规范取μz=1.8×0.6=1.08；μs为体形系数，塔架挡风系数计算为0.45，标牌的体型系数取值为1.3；βz为风振系数。

式中，ζ为脉动增大系数，根据差值选取，W0T2=0.15，取ζ=1.912；ε1为风压脉动和风压高度变化等的影响因素，取0.45；ε2为振型、结构外形的影响因素。

表2所示为塔架各高度节点的风荷载统计。

表2 塔架各高度节点风荷载统计（不含标牌）

根据GB50009—2012《建筑结构荷载规范》[3]，并结合项目地址，基本雪压为0.35kN/m2。根据横杆翼缘宽度，计算各杆件的雪压荷载。

（3）地震工况：结构处于8度区，加速度0.2g，地震设计分组第2组，场地二类。在SAP2000中采用振型分解反应谱法计算地震作用，考虑X、Y两个方向的水平地震作用。

2.3 荷载组合

三角型塔架为高耸结构，主要荷载为风荷载和地震作用对其的水平侧向荷载，因此荷载组合主要考虑两种情况：基本组合和地震效应组合。

（1）根据GB50009—2012《建筑结构荷载规范》[3]，结构效应的基本组合为：

其中，恒载分项系数取1.2，活荷载（风荷载与雪荷载）分项系数取1.4，雪荷载组合系数取0.7。

（2）地震效应基本组合根据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》[4]中相关规定：

其中，重力效应荷载取自重标准与0.5倍雪荷载之和，分项系数取1.2；风荷载组合系数取0.2，分项系数取1.4；地震作用分项系数取1.3。

2.4 内力计算及分析

通过计算比较，得出三角型塔架在两种荷载组合情况下最不利组合：

（1）基本荷载组合下：结构最大应力为208.27N/mm2，小于钢材抗拉（压）强度设计值295N/mm2。最大位移为203.18mm，位移值小于规范中规定的水平位移限制要求（线性位移533mm，非线性位移800mm）。支座反力最大为2075.6kN，对结构底部最大弯矩为6066.3kN·m。图5所示为基本组合下的位移图。

（2）地震效应组合下：结构最大应力为196N/mm2，小于钢材抗拉（压）强度设计值295N/mm2。最大位移为172.14mm，位移值小于规范中规定的水平位移限制要求（线性位移533mm，非线性位移800mm）。支座反力最大为1700.82kN，对结构底部最大弯矩为4874.8kN·m。图6所示为地震效应组合下的位移图。